Method Article
Dieses Protokoll dient der Isolierung von Quarzkörnern nach Größe für die Lumineszenzdatierung von Sedimenten. Beschrieben werden physikalische Reinigung und chemische Aufschlüsse durch nacheinander inH2O2, HCl, HF und HCl, um Quarzkörner zu isolieren. Die Quarzreinheit wird durch mikroskopische Bewertung, Raman-Spektroskopie und IR-Verarmungsverhältnis quantifiziert.
Die optisch stimulierte Lumineszenzdatierung (OSL) quantifiziert die Zeit, seit Mineralkörner abgeschieden und vor zusätzlicher Licht- oder Wärmeeinwirkung abgeschirmt wurden, wodurch die Lumineszenzuhr effektiv zurückgesetzt wird. Die Systematik der OSL-Datierung basiert auf den dosimetrischen Eigenschaften gängiger Mineralien wie Quarz und Feldspat. Die erworbene Lumineszenz unter Exposition gegenüber natürlicher ionisierender Strahlung nach der Bestattung liefert ein Ablagerungsalter für viele quartäre Sedimentsysteme, das sich über die letzten 0,5 Ma erstreckt. Dieser Beitrag beschreibt die Verfahren zur Trennung von reinen Quarzkörnern eines bekannten Bereichs von Partikelgrößen, um die Lumineszenzanalyse mit kleinen oder einzelnen Kornaliquoten zu erleichtern. Insbesondere werden Protokolle für die erforderlichen Daten und Interpretationen für eine effektive OSL-Datierung von terrestrischen Sedimentkernen oder Probenröhrchen aus Expositionen gegeben. Diese Kerne, die in 1,2 m Abschnitten 5-20 m lang sind, sind längs geteilt und kronengeschnitten, wobei 80% des Kernvolumens ungestört bleiben, was die Probenahme von lichtgeschütztem Sediment für OSL-Datierungen tief im Kern erleichtert. Sedimentproben werden dann einer Reihe von physikalischen Trennungen unterzogen, um ein bestimmtes Korngrößenintervall (z. B. 150-250 μm) zu erhalten. Magnetische Mineralien werden im nassen und trockenen Zustand mit Magneten entfernt. Eine Reihe von chemischen Aufschlüssen beginnt mit dem Einweichen inH 2 O2, um organische Stoffe zu entfernen, gefolgt von einer HCl-Exposition zur Entfernung von Karbonatmineralien, gefolgt von der Dichtetrennung. Anschließend werden die Körner 80 min in HF und danach in HCl eingeweicht, um ausschließlich Quarzkörner zu erzeugen. Die mineralogische Reinheit (>99%) des Quarzextrakts wird mittels kornpetrographischer Beurteilung und Raman-Spektroskopie quantifiziert. Die Wiederholung dieses Quarzisolierungsverfahrens kann bei Sedimenten erforderlich sein, die <15% Quarzkörner enthalten. Die Anregung der gereinigten Quarzkörner durch LED-abgeleitetes Blau- und IR-Licht ermöglicht die Berechnung der schnellen und IR-Verarmungsverhältnisse, die Metriken zur Beurteilung der Dominanz der Lumineszenzemissionen von Quarz sind.
Die Geochronologie der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL) liefert die Zeit von der letzten Licht- oder Wärmeeinwirkung nach Sedimenterosion, Ablagerung und Bestattung; und weitere Einwirkung von Licht oder Hitze. So reduzieren natürliche sedimentäre Prozesse oder Erwärmungsereignisse (>300 °C) das bisher vererbte Lumineszenzsignal auf ein konstant niedriges Niveau. In den letzten zwei Jahrzehnten gab es erhebliche Fortschritte in der Lumineszenzdatierung, wie die Einzelaliquot- und Kornanalyse bestimmter Mineralkörner wie Quarz. Diese experimentbasierten Datierungsprotokolle mit blauen oder grünen Dioden können im Labor induzierte Empfindlichkeitsänderungen effektiv kompensieren, so dass OSL-Alter für die letzten ca. 500 ka 1,2,3 beträgt.
Silikatminerale wie Quarz und Kaliumfeldspat haben unterschiedliche Kristallgitterladungsdefekte; Einige bildeten sich zum Zeitpunkt der Mineralkristallisation und andere aufgrund der anschließenden Exposition gegenüber ionisierender Strahlung, was zu einem geochronometrischen Potential führte. Diese Defekte sind wahrscheinliche Orte der Elektronenspeicherung mit Fallentiefenenergien von ~1,3-3 eV. Eine Subpopulation von enthaltenen Elektronen in Gitterladungsdefekten von Quarzkörnern ist eine Quelle für zeitdiagnostische Lumineszenzemissionen mit Anregung durch blaues Licht. Daher steigt diese Lumineszenzemission mit der Zeit über das Solar- oder Wärmerückstellniveau bei Exposition gegenüber ionisierender Strahlung während der Bestattungszeit an. Dieses Signal wird auf ein niedriges, definierbares Niveau reduziert ("zeroed") mit anschließender Sonneneinstrahlung mit Sedimenterosion, Transport und Ablagerung. Dieser Lumineszenz-"Zyklus" tritt in den meisten Ablagerungsumgebungen auf der Erde und anderen Planeten auf. So liefert die OSL-Datierung von sedimentären Quarzkörnern ein Ablagerungsalter, das die Zeit widerspiegelt, die seit der letzten Lichtexposition mit Ablagerung und Vergraben vergangen ist (Abbildung 1).
Die Lumineszenzdatierung ist eine dosimetrische Technik, die Altersschätzungen für ausgewählte Mineralkörner wie Quarz aus äolischen, fluvialen, lakustrinen, marinen und kolluvialen Sedimenten liefert, die mit unzähligen Kontexten für geomorphe, tektonische, paläontologische, paläoklimatische und archäologische Forschung verbunden sind 2,4,5,6,7. Die OSL-Datierung wird auch ausgewertet, um Oberflächenprozesse auf anderen Planeten, insbesondere auf Mars 8,9, einzuschränken. Oft ist das am häufigsten verwendete Mineral in der OSL-Datierung auf der Erde Quarz, der seine natürliche Häufigkeit, eine inhärente Empfindlichkeit als Geochronometer, Signalstabilität und schnelles Zurücksetzen bei Sonneneinstrahlung (Sekunden bis Minuten) widerspiegelt4,10,11,12. Die Genauigkeit der OSL-Datierung wird jedoch beeinträchtigt, wenn der Quarzextrakt unrein ist, insbesondere wenn er durch Kalium und andere Feldspate kontaminiert ist, die zehn- bis hundertfach hellere Lumineszenzemissionen als Quarz aufweisen können und das Alter unterschätztergeben können 13. Daher ist die absolute Reinheit (>99%) für Extrakte von Quarzkörnern aus Sedimenten entscheidend für eine genaue OSL-Datierung. Daher liegt der Fokus dieses Beitrags auf detaillierten Verfahren zur Isolierung hochreiner Quarzkorntrennungen aus einer Vielzahl polymineralischer Sedimente. Dies erfordert die Integration von Kenntnissen der Mineralogie, Kristallchemie; optische und Raman-Bildgebung, um Laborprotokolle effektiv anzuwenden, um OSL-Alter auf Quarzkörnern aus sorgfältig beprobten Schichten aus gewonnenen Sedimentkernen zu rendern. Die Sedimentkerne wurden durch eine Push- und Perkussionsbohrmethode gesammelt, bei der intaktes Sediment bis in eine Tiefe von 20-25 m geborgen wurde.
Das zeitkritische OSL-Signal wird relativ schnell mit Minuten bis Stunden Sonneneinstrahlung zurückgesetzt. Das geologische OSL-Signal akkumuliert sich aus diesem solaren Reset-Level. Obwohl die OSL-Emissionen von Quarz erheblich variabel sind, spiegeln sie die ursprüngliche kristalline Struktur, Gitterverunreinigungen, Sensibilisierung mit Lumineszenz-Rücksetzzyklenwider 14 (Abbildung 1). Daher gibt es inhärente Variabilität in der Dosisempfindlichkeit von Quarz, und Datierungsprotokolle müssen für spezifische mineralogische und sedimentäre Herkunft entwickelt werden. Glücklicherweise führte das Aufkommen von SAR-Dosisprotokollen (Single Aliquot Regenerative (SAR) für Quarz 1,2 zu einer Systematik zur Korrektur der Variabilität der OSL-Emissionen und Metriken zur Bewertung von Laboränderungen der scheinbaren OSL-Empfindlichkeit. Sedimentkörner fungieren als Langzeit-Strahlendosimeter, wenn sie vor weiterer Lichteinwirkung verborgen sind, wobei das Lumineszenzsignal als Maß für die Strahlenbelastung während der Bestattungszeit dient. Die Strahlendosis, die der natürlichen Lumineszenzemission isolierter Quarzkörner entspricht, wird als Äquivalentdosis (De: in Grautönen, Gy) bezeichnet, die der Zähler der OSL-Altersgleichung ist (Gleichung 1). Der Nenner ist die Dosisleistung (Dr: Grays/Jahr), definiert durch den Beitrag α, β und γ Strahlung, die aus dem radioaktiven Zerfall von Tochterisotopen in der 235 U, 238 U, 232Th Zerfallsreihe, 40K stammt und mit geringeren Beiträgen aus dem Zerfall von 85Rb und kosmischen und galaktischen Quellen.
OSL-Alter (Jahre) = (Gleichung 1)
Dabei gilt: Dα = Alpha-Dosis Dβ = Beta-Dosis Dγ = Gammadosis Dc = kosmische Dosis und w=Wasserdämpfungsfaktor.
Eine weitere Methode für Sie und Th-Bestimmungen im Labor oder im Feld ist die Gammaspektrometrie, wobei die Germanium-Variante in der Lage ist, das Isotopenungleichgewicht von U und Th mit geeigneten Anpassungen der Dosisleistung zu quantifizieren. Die Beta- und Gammakomponenten der Umweltdosisleistung müssen für die Massendämpfungmodifiziert werden 15. Es gibt jedoch eine effektiv unbedeutende Alpha-Dosis für Körner >50 μm, wobei die äußeren 10-20 μm der Körner durch Behandlung mit unverdünntem HF während der Zubereitung entfernt werden. Eine kritische Komponente bei der Dosisleistungsbewertung ist die Quantifizierung der kosmischen und galaktischen Dosis während der Bestattungsperiode, die für bestimmte Punkte auf der Erde mit Anpassungen für Längengrad, Breitengrad, Höhe, Bestattungstiefe und Dichte des darüber liegenden Sedimentsberechnet wird 16,17.
Sedimente, die >15% Quarz enthalten, sind in der Regel relativ einfach, um eine hochreine Quarzfraktion abzutrennen. Sedimente mit <15% Quarz benötigen jedoch oft zusätzliche Zeit, um die erforderliche mineralogische Reinheit für die OSL-Datierung sicherzustellen. Für diese Analyse werden ungefähr 500-1000 Quarzkörner benötigt, aber oft werden Tausende von Körnern für doppelte Analysen, die Archivierung zur Erweiterung einer Kalibrierbibliothek und zukünftige Fortschritte getrennt. Die mineralogische Zusammensetzung der Sedimentproben wird zunächst Korn für Korn durch petrographische Analyse durch eine binokularmikroskopische (10-20x) und zugehörige Bildanalyse beurteilt. Die Mineralogie einzelner Körner wird weiter mittels Raman-Spektroskopie getestet, um Kornspektren mit einem Anregungslaser (455 nm, 532 nm, 633 nm oder 785 nm) zu messen und die Kornemissionen statistisch mit bekannten Mineralspektren aus der RRUFF System Database18 zu vergleichen.
Sobald die visuelle und spektrale Inspektion zufriedenstellend ist, wird die Reinheit des OSL-Signals unter Verwendung eines automatisierten Lumineszenz-Lesesystems weiter überprüft. Drei bis fünf Aliquots der Probe werden einer Infrarotanregung (IR = 1,08 Watt bei 845 nm ± 4 nm) ausgesetzt, die bevorzugt Feldspatmineralien stimuliert, und diese Emission wird mit Emissionen durch Blaulichtanregung (Bl = 470 nm ± 20 nm) verglichen, die bevorzugt Quarz stimuliert. Wenn das Verhältnis IR/Bl 5% ≥%, zeigt der Test eine Feldspatkontamination und wiederholte Säureaufschlüsse. Wenn das Verhältnis IR/Bl <5%, dann gelten die Proben als Quarzfraktion zufriedenstellend für die Datierung.
Single Aliquot Regeneration (SAR) -Protokolle auf Quarzkörnern ist ein häufig verwendeter Ansatz in OSL-Datierungssedimenten mit Verfahren, die auf eine bestimmte Probe, ein Untersuchungsgebiet oder ein Gebiet zugeschnitten sind. Die Reproduzierbarkeit dieser Protokolle wird bestimmt, indem Quarzkörnern eine bekannte Betadosis (z. B. 30 Gy) verabreicht wird und bewertet wird, welche Wärmevorbehandlung diese bekannte Dosis zurückgewinnt (Abbildung 2). In der Praxis beinhaltet die Bestimmung einer De mit den SAR-Protokollen die Berechnung eines Verhältnisses zwischen der natürlichen Lumineszenz und der Lumineszenz aus einer bekannten Testdosis (L n/T n-Verhältnis), das mit den Lumineszenzemissionen für regenerative Dosen dividiert durch die Lumineszenz aus derselben Testdosis (L x/Tx) verglichen wird (Abbildung 2 ). Eine Korrektur, eine konsequent angewendete Testdosis (z. B. 5 Gy), wurde entwickelt, um Änderungen der Quarzkornempfindlichkeit bei der Messung durch SAR-Zyklen zu kompensieren. Oft steigen die OSL-Emissionen mit jedem aufeinanderfolgenden SAR-Zyklus um >5% an, obwohl die gleiche Dosis (z. B. 5 Gy) verabreicht wird7.
Mindestens vierzig Aliquots von Quarz oder 500 Körner werden mit dem TL / OSL-Lesesystem mit Blaulichtanregung analysiert. Die erzeugten Lumineszenzdaten werden von einer Software analysiert, die mit dem Lesesystem Risø TL/OSL-DA-20 verbunden ist. Die De und Dr Werte und Altersschätzungen werden mit dem Lumineszenzdosis- und Altersrechner (LDAC)17 berechnet. Diese Plattform wendet statistische Modelle an, um die Werte der Äquivalentdosis (De) zu bestimmen und das entsprechende OSL-Alter mit eingeschränkten Fehlern darzustellen.
Die extrahierte lichtabgeschirmte Probe aus einem Kern wird aus zwei Gründen vorbereitet: 1) Um eine mineralogische Fraktion von Quarzkörnern mit einer Reinheit von >99% zu erhalten, und 2) Um Körner mit spezifischer Größenfraktion, z. B. 150-250 μm, zur Beurteilung der Umwelt-Dr für OSL-Datierung17 zu isolieren. In vielen sedimentären Umgebungen sind Quarzkörner üblich; aber gemischt mit anderen Silikat- und Nichtsilikatmineralien, Gesteinsfragmenten und organischen Stoffen. Zuvor wurden die Verfahren kurz skizziert, die einige spezifische Schritte und Reagenzien aufzeigten, die erforderlich sind, um reine Quarzkörner im Zusammenhang mit der OSL-Datierung 13,19,20,21,22,23 zu isolieren. Dieser Beitrag hat von diesen früheren Ansätzen stark profitiert. Dieser Artikel skizziert überarbeitete und detailliertere Protokolle unter Verwendung petrographischer Bildgebung und Raman-Technologie zur Überwachung der Getreidemineralogie und zur Herstellung hochreiner (>99%) Quarzextrakte für die Lumineszenzdatierung. Diese Quarzisolationsprotokolle wurden nach der Vorbereitung von Hunderten von Proben aus verschiedenen geologischen Umgebungen in Amerika, Eurasien, China und Afrika, dem Baylor Geoluminescence Dating Research Laboratory, entwickelt, das die analytische Erfahrung über dreißig Jahre widerspiegelt, und sind keine endgültigen Methoden, mit geeigneten Variationen, die von anderen Labors verwendet werden. Dies sind keine statischen Protokolle, und Änderungen und Ergänzungen zur Verbesserung sind willkommen.
ANMERKUNG: In diesem Abschnitt werden die Verfahren zur Trennung einer nahezu reinen (>99%) Quarzfraktion aus polymineralischen Sedimenten aus langen (15-20 m) Sedimentkernen vorgestellt und sind gleichermaßen auf einzelne röhrenartige Proben anwendbar, die aus Aufschlüssen entnommen wurden23. Diese Methodik wurde in drei Komponenten unterteilt: (1) Sedimentkernöffnung, Beschreibung und Interpretation sedimentärer Umgebungen, um das resultierende OSL-Alter in einen paläoökologischen Kontext zu stellen, (2) Entnahme einer kleinen OSL-Sedimentprobe aus einem Kern ohne Einwirkung von Umgebungslicht und (3) Trennung eines monomineralogischen Quarzextrakts bei einer bestimmten Größenfraktion (z. 150-250 μm). Der erste Schritt wird unter Umgebungslichtbedingungen durchgeführt. Die zweite und dritte Komponente werden mit Beleuchtung durch eine Natriumdampflampe, gleichwertige LEDs oder Lampen mit einem roten bis orangefarbenen Filter durchgeführt. Tests haben gezeigt, dass diese sicheren Lichtverhältnisse mit Emissionen auf 589 nm mit etwa 1-0,5 W/m2 auf der Prüfstandsoberfläche keinen versehentlichen Reset während der Getreidezubereitung verursachen.
1. Sedimentkerne öffnen, beschreiben und interpretieren (Abbildung 3)
HINWEIS: Verwenden Sie eine elektrische Säge etwa im Vierteldurchmesser (0,5-Radiant-Position) des Kernumfangs, um sie längs zu öffnen. Führen Sie diesen "Kronen"-Kernschnitt anstelle eines Halbschnitts durch, um mehr unbeleuchtetes exponiertes Sediment für die OSL-Datierung und andere Analysen zu erhalten, ohne die sorgfältige visuelle Inspektion, Probenahme und Beschreibung des Kerns zu beeinträchtigen.
2. Sammeln Sie die OSL-Probe (Abbildung 5)
HINWEIS: Die Kernabschnitte werden in das Lumineszenzlabor überführt, um Proben für die OSL-Datierung bei sicheren Lichtverhältnissen zu nehmen.
3. Monomineralogischer Quarz extrahieren (Abbildung 6)
HINWEIS: Alle Mitarbeiter müssen vor Beginn des Verfahrens im Labor persönliche Schutzausrüstung (PSA) tragen, zu der ein schwerer und undurchlässiger Laborkittel, Nitril-Einweghandschuhe und -schutzbrillen sowie Staubmasken gehören. Diese PSA wird durch schwere PVC-Handschuhe und eine körperlange Schürze, einen Gesichtsschutz aus Acryl und wiederverwendbare wasserdichte Silikon-Schuhüberzieher ergänzt, wenn Lösungsmittel in voller Stärke für die Verdauung verwendet werden.
Die beschriebenen Laborverfahren konzentrieren sich auf die Verbesserung der Trennung von reinen Quarzkörnern (Größe 700 bis 50 μm), die für die OSL-Datierung ohne versehentliches Zurücksetzen des Lichts im Labor erforderlich sind (Abbildung 1). Eine reine Quarztrennung, mineralogisch und optisch, ist Voraussetzung für die Anwendung von SAR- und TT-OSL-Datierungsverfahren (Abbildung 2). Diese Verfahren erläutern die notwendigen Schritte zum effektiven Verständnis und zur Probenahme kontinuierlicher Sedimentkerne, zur Vermeidung von Zonen der Pedogenese und Diagenese und zur Gewinnung von unlichtexponierten Sedimenten aus Kernen (Abbildung 3 und Abbildung 4); Isolierung von Quarzkörnern für OSL-Datierungsprotokolle, um den Zeitpunkt der Sedimentablagerung in der Vergangenheit ca. 500 ka einzuschränken (Abbildung 5). Die Mineralogie der Körner der unvorbereiteten Probe und der vorbereiteten Trennstücke wird kontinuierlich durch den Vorbereitungsprozess bewertet, um die kontaminierende Mineralogie zu identifizieren und den Prozess der Entfernung unerwünschter Mineralien aktiv zu bewerten (Abbildung 6 und Abbildung 7). Die quarzmineralogische Reinheit wird für Teilmengen (100-400) durch binokulare mikroskopische Inspektion (10-20x) und durch Raman-Spektroskopie bestimmt. Die Verwendung dieser Technologie und das erforderliche Wissen sind entscheidend, um die erforderliche Reinheit (>99%) von Quarztrennungen für die OSL-Datierung zu beurteilen und zu bestätigen (Abbildung 8).
Der Prozess zur Quarztrennung wird mit der Entfernung organischer Stoffe mitH2O2und anschließender Spülung von Ca/MgCO3 unter Einweichen in HCl begonnen. Anschließend wird durch Sieben mit Einweg-Nylongewebe (z. B. 150 und 250 μm) eine Größenfraktion bestimmt, die für die Berechnung der Dosisleistungswerte (in mGy/y) erforderlich ist (Abbildung 6A Einschub). Die Reinheit des Quarzseparats wird durch zwei Dichtetrennungen bei 2,6 und 2,7 g/cm³, der Begrenzungsdichte von Quarz, erhöht (Abbildung 6B Einschub). Durch das anschließende Einweichen der großen Körner in HF für 80 min werden Nicht-Quarzmineralien entfernt. Bei dieser Behandlung werden auch die äußeren 10-20 μm Körner geätzt, um den von der Alpha-Dosis betroffenen Bereich zu entfernen, wodurch die Dosisleistungsberechnung vereinfacht wird (Abbildung 6). Die Reinheit des Quarzseparats wird nie angenommen, sondern durch binokulare mikroskopische Inspektion und Raman-basierte Messungen am Ende der Korntrennung beurteilt. Dichtetrennungen und/oder HF-Behandlungen können wiederholt werden, um die einzelnen kontaminierenden Körner zu entfernen, wenn ein repräsentatives Aliquot >1% Nichtquarzkörner, insbesondere Feldspatmineralien, enthält (Abbildung 7). Das Quarzreinigungsverfahren wurde bis zu viermal mit einem Quarzgehalt von <15% wiederholt, um Glanzkurven mit einem schnellen Verhältnis von >20 zu erzeugen, die für reinen Quarz charakteristisch sind (Abbildung 8).
Abbildung 1: Prozesse mit OSL-Datierung. (A) Mineralkörner erwerben OSL unter ionisierender Strahlung. (B) Korn OSL wird durch Sonnenlicht mit Erosion / Transport zurückgesetzt. (C) Exposition gegenüber Ionisierung durch Vergraben; Lumineszenz erworben. (D) Lichtexposition setzt OSL mit Erosion/Transport zurück. (E) Körner werden wieder vergraben und OSL wird unter Exposition gegenüber ionisierender Strahlung erworben. (F) Zeigt Probenahmen ohne Lichteinwirkung. Auf die resultierende gemessene natürliche OSL folgt eine normalisierende Testdosis (L n/Tn), die der regenerativen Dosiskurve entspricht, um eine Äquivalentdosis (De) zu erhalten. Diese Abbildung wurde modifiziert von Forman, S. L. et al.7. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: OSL-SAR-Protokolle (Optical Stimulating Luminescence- Single Aliquot Regeneration) für Quarzkörner. a) Äquivalentdosis unter Verwendung von SAR-Protokollen; die natürliche OSL ist L n / Tn und die regenerative Dosis ist L x / Tx; Empfindlichkeitsänderungen werden durch Verabreichung einer Testdosis (z. B. 5 Gy) korrigiert. (B) Allgemeines SAR-Protokoll. Diese Abbildung wurde modifiziert von Forman, S. L. et al.7. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Flussdiagramm mit den Schritten, die zum Öffnen, Beschreiben und Interpretieren eines gewonnenen Sedimentkerns erforderlich sind. Diese Abbildung zeigt die Entnahme des Sedimentkerns mit dem Perkussionsbohrkern, gefolgt von der Öffnung, Reinigung, Beschreibung und Untersuchung des Kerns, um die optimale Probe für die OSL-Datierung zu erhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Beispiel eines typischen Logbuchs eines sedimentären und stratigraphischen Kernabschnitts. Einheiten und pedosedimentäre Fazies werden unter Verwendung von Sedimentologie, Stratigraphie, Bodenkunde, Granulometrie und Karbonatanteil definiert. Die Bodenhorizonte, die in der stratigraphischen Säule von oben nach unten gefunden werden, sind: A: Oberflächenorganischer Horizont, B: Untergrund mit schwacher Struktur und Farbe (Bw) und vergrabener B-Horizont Btb mit Tonakkumulation, Btkb mit sekundärer Calciumcarbonat- und Tonakkumulation und Bkb mit einer Akkumulation von sekundärem Calciumcarbonat. Die dominante Partikelgröße sedimentärer Einheiten ist auf der unteren Horizontalen mit mittlerem Sand (MS), feinem Sand (FS), sehr feinem Sand (VFS) und Schluff (Si) dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Flussdiagramm für die notwendigen Schritte zur Entnahme einer OSL-Probe aus einem Sedimentkern. Diese Abbildung zeigt ein Flussdiagramm mit den wichtigsten Schritten, die zur Vorbereitung eines separaten Quarzes für die OSL-Datierung befolgt wurden. Die Protokolle beginnen mit der Extraktion eines polymineralischen Sediments aus lichtabgeschirmten Bereichen des Kerns im lichtsicheren OLS-Labor. Sie setzen die Extraktion der monomineralogischen Fraktion von Quarz fort, die die Entfernung von organischem Material mit Peroxid, Karbonaten mit HCl und magnetischen Mineralien mit Handmagneten umfasst. Die Trennung des spezifischen Anteils des sandgroßen Sediments erfolgt durch Siebung; Die Trennung von Mineralien, die weniger dicht und schwerer als Quarz sind, erfolgt mit dichten Flüssigkeiten (ρ = 2,6 g/cc und 2,7 g/cc). Die letzten Reinigungsschritte erfordern das Eintauchen des Sediments in HF und HCl in voller Stärke, um Quarz von jedem anderen Mineral in der Fraktion zu isolieren. Die Reinheit des Separators wird durch binokulare Inspektion, RAMAN-Spektroskopie und weitere Überprüfung der IRSL-Emissionen (Infrarot) bewertet. Ziel ist es, eine Probe mit einer Reinheit ≥99% zu erhalten. Andernfalls müssen einige der Schritte wiederholt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Flussdiagramm mit allen Schritten, die erforderlich sind, um einen unberührten Quarz getrennt von einer Sedimentprobe aus einem Kern zu erhalten. Diese saubere Quarzfraktion wird für OSL-SAR-Analysen zur Altersbestimmung verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7:Vergleich zweier Proben, die in zwei verschiedenen Gebieten gesammelt wurden: White Sands (erste Reihe) und Mongolei (zweite Reihe). Spalte A zeigt Rohproben unter dem Binokularmikroskop, wie sie im Feld gesammelt wurden. Spalte B zeigt die einzelnen Fraktionen für jede verarbeitete Probe unter dem binokularen Mikroskop. Spalte C zeigt die entsprechenden Ergebnisse der RAMAN-Spektroskopie. Die Probe von White Sands enthält Sulfate (hauptsächlich Gips), Halogenide und sehr wenig Quarz (Spalte A). Dementsprechend zeigt die separate Fraktion (63-100 μm) für die bearbeitete Probe in einer Spalte B, dass sie hauptsächlich Quarz enthält, immer noch mit einigen Spuren von Gips, wie die RAMAN-Spektroskopie in Spalte C zeigt. Das Verhältnis zwischen den OSL-IR- und blauen Antworten für diese Probe beträgt 9%, was bestätigt, dass eine zweite Dichtetrennung bei 2,6 g / cc erforderlich ist, wodurch möglicherweise der leichtere Gips (2,36 g / cc) aus schwererem Quarz entfernt wird. Im Gegensatz dazu ist die mongolische Probe (Spalte A) zunächst sehr reich an Feldspaten, vorwiegend K-Feldspat. Nach den Reinigungsverfahren zeigt reichlich Quarz, der in den 100-150 μm separaten (Spalten B und C) isoliert ist, was ein zufriedenstellendes IR / Bl-Verhältnis von 3,7% ergibt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Vergleich des schnellen Verhältnisses für das natürliche in drei Proben, die unterschiedliche Reinheitsgrade der Quarzfraktion darstellen. (A) Die ideale schnelle Verhältnisverteilung in einer unberührten äolischen Probe aus Red River, mit schnellem Verhältnis = 72. Kontrastierende Figuren (Abbildung 8B,C) haben eine weniger schnelle Komponente mit blauer LED-Stimulation, die unter 20 liegt. (B) Eine Probe mit unvollständiger Quarz- und Plagioklasentrennung. Die L2- und L3-Komponenten machen einen signifikanten Prozentsatz der L1-Komponente aus (siehe Gleichung 2). (C) Eine Shine-Down-Kurve für feldspathischen Quarz mit einer dominanten mittleren Komponente (L2). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die mineralogische Reinheit von Quarz ist entscheidend für die OSL-Datierung. Die spektrale Reinheit von Quarz ist jedoch ebenso wichtig und wird normalerweise durch die sorgfältige Konzentration von Quarzkörnern verbessert. Im Idealfall sollten Quarzkörner unter blauem LED-Licht (470 nm ± 20 nm) Stimulation für 40 s ≥ 90% der Lumineszenz innerhalb der ersten ~0-2,5 s der Stimulation emittieren, die als schnelle Komponente bezeichnet wird, mit < 10% der Lichtemission zwischen ~2,5 und ~15 s (mittlere Komponente) und einer endgültigen niedrigen Emission nach ~15 s (langsame Komponente) (Abbildung 8). Eine Lumineszenzemission, die von einer schnellen Komponente dominiert wird, wird bevorzugt, da sie schnell (in Sekunden) zurückgesetzt wird und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber β im Labor angewendeter Strahlung aufweist, wodurch die Bestimmung der Äquivalentdosis verbessert wird. Eine wichtige Metrik zur Beurteilung der Dominanz schneller Komponenten für die OSL-Datierung von Quarz ist die Berechnung eines "schnellen Verhältnisses"29,30 mit einem Beispiel, das in Gleichung 2 und in Abbildung 8 gezeigt wird. Ein schnelles Verhältnis von >20 für die Quarz-Shine-Down-Kurve gilt als robuste Lumineszenz-Emission, die für die OSL-Datierung29 geeignet ist (siehe Abbildung 8A). Abtrennungen, die mit K-Feldspat und Plagioklas oder feldspathischen Einschlüssen verunreinigt sind, ergeben oft schnelle Verhältnisse von <10 (siehe Abbildung 8B,C) und sind für SAR-Quarzdatierungsprotokolle ungeeignet.
Schnelles Verhältnis (Gleichung 2)
Dabei L1: Schnelle Komponentenemission für ~0-2,5 s
L2: Mittlere Komponentenemission ~2,5-15 s L3: Langsame Komponentenemission ~ 15-40 s
Ein wichtiger Test für die spektrale Reinheit isolierter Quarzkörner ist die Reaktion von Aliquoten auf Infrarotanregung von LEDs (845 nm ± 4 nm). Die meisten Quarzkörner erzeugen eine geringe oder vernachlässigbare Lumineszenzemission mit IR-Stimulation bei oder innerhalb von einigen hundert Zählungen von Hintergrundemissionen. Es wurde eine Metrik entwickelt, um IR-basierte Emissionen zu bewerten, das sogenannte IR-Verarmungsverhältnis, das als SAR-Verhältnis (L x / Tx) für bestrahlte (5-10 Gy) Quarzkörner berechnet wird, die mit IR-LEDs und dann blauen LEDs stimuliert werden. Insbesondere sollte das Verhältnis von IR-Lumineszenz geteilt durch blaue Emissionen <5% betragen, was auf eine spektral reine Quarzfraktion hinweist, die für die OSL-Datierung geeignet ist (Abbildung 8A). Es gibt jedoch Fälle, in denen mineralogisch reine Quarzkörner mit IR-Stimulation fehlerhafte Lumineszenzemissionen erzeugen können. Dieses IR-Signal kann anhaftende lithische Fragmente oder feldspathische Einschlüsse in Quarz widerspiegeln. In solchen Fällen sollten Quarzkörner durch Feldspatprotokolle31 datiert werden. Diese Protokolle mit Modifikationen können verwendet werden, um die Reinheit anderer Mineralien für die OSL-Datierung zu trennen und zu bestätigen, wie k-Feldspat, Plagioklas und Olivin und Pyroxen für andere planetare Anwendungen.
Die Fähigkeit, einen >99% Quarz zu isolieren und die Reinheit auf Kornebene zu bestätigen, ist eine Voraussetzung für eine genaue Lumineszenzdatierung. Die Einzelkorn- und Ultraklein-Aliquot-Datierung (10-50 Körner) erfordert einen zusätzlichen Nachweis, dass die Lumineszenzemissionen aller Körner aus Quarz stammen. Die Anwendung von Wärmetransferansätzen, die glaubwürdige OSL-Alter bis zu einer Million Jahre ergeben können, basiert wiederum auf reinen Quarzsignalen aus Mineralkörnern6. Ein monomineralogischer Quarz ist grundlegend für die Anwendung von OSL-SAR-Protokollen, die eine Abfolge von Altersstufen zur Entschlüsselung der Ablagerungsgeschichte von äolischen und fluvialen Systemen für das spätquartäre 1,2,32,33 liefern (Abbildung1 und Abbildung 2). Die Kontamination von Quarzaliquoten durch die fehlerhaften K-Feldspatkörner oder feldspathische Einschlüsse in Quarz oder anhaftenden lithischen Fragmenten ergibt ein gemischtes dosimetrisches Signal und eine Anfälligkeit für anomales Ausbleichen ergibt oft Unterschätzungen4. Eine reine Quarztrennung gewährleistet jedoch nicht absolut spektrale Reinheit und entsprechende Emissionen für die Quarzdatierung. Eine effektive OSL-Datierung erfordert eine sorgfältige und vollständige Isolierung von Quarzkörnern und OSL-assoziierten Metriken, um eine reine Quarztrennung mineralogisch und spektral 2,33,34 zu verifizieren.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL pipette | VWR | 53044-139 | |
100 mL graduate cylinder | VWR | 24774-692 | |
100% China bristles brush | Subang | ||
2' Macro MC7 PVC Liner | Macro-Core | 46125 | |
Analytical balance | Sartorius 1207 MP2 | 2107 | |
Bransonic Ultrasonic cleaner | VWR | 97043-958 | |
Calgonate Hydrofluoric Acid Burn Relief Gel, Calgonate | VWR CALGEL25 | 101320-858 | |
Concentrated (48–51%) hydrofluoric acid (HF) | VWR | BDH3042 | |
Core MC7 Soil Sampling System | Macro-Core | 216883 | |
Deionized water (DIW) | Baylor University | DIW Faucet | |
Geoprobe | Enviroprobe | 6620DT | |
Hydrochloric acid 36.5–38.0% ACS, VWR Chemicals BDH | VWR | BDH3032-3.8LP | |
Hydrogen peroxide (H2O2) 25% | VWR Chemicals BDH | BDH7814-3 | |
Hydrogen peroxide 12% | VWR Chemicals BDH | BDH7814-3 | |
Inductively coupled plasma mass spectrometry-ICP-MS | ALS Laboratories, Reno, NV | ME-MS81d | |
Laser diffraction particle size analyzer Malvern Mastersizer 3000 | Malvern Panalytical | Mastersizer 3000 | |
Lead hydrometer with range 2.00–3.00 g/cm3 | Thomas Scientific | 13K065 | |
LOW PRESSURE SODIUM 35W CLEAR Sodium Vapor Lamp for Thomas Duplex Safelights | Interlighht | WW-5EGX-9 | |
Magnetic rods and wands | Alnico V Magnet | Magnetic wands #21R584. Magnetic Stir Bar #21R590 | |
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 ml | INTLLAB | MS-500 | |
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 mL | INTLLAB | MS-500 | |
Magnetic Stirrer Stainless Steel Magnetic Mixer with stir bar. Max Stirring Capacity 3000 mL | INTLLAB | MS-500 | |
MC5 PVC Liner | Macro-Core | 600993 | |
MC5 Soil Sampling System (LWCR) | Macro-Core | 204218 | |
Neodymium magnets | MIKEDE | 24100000 | |
Nylon mesh | Gilson Company, INC | 500 μ= NM-B #35 450 μ= NM-1 #40-10 350 μ= NM-B #45 250 μ= NM-B #60 150 μ= NM-2 #100-10 100 μ= NM-C #140 63 μ= NM-C #230 45 μ= NM-3 #325-10 38 μ= NM-D #400 | |
Optifix Dispensers, MilliporeSigma HCl bottle dispenser | VWR | EM-10108048-1. Serial F93279E | |
Optifix Dispensers, MilliporeSigma HF bottle dispenser | VWR | EM-10108048-1. Serial 005499 | |
Plastic beaker | VWR | 89172 | |
Powdered POLY-GEE Brand Sodium Polytungstate (SPT-Na6 (H2W12O40) _H2O) | Geoliquids, INC. | SPT001 | |
Premier binocular microscope | VWR | SMZ-05/Stereo Zoom Microscope/EA | |
Quartz Griffin Beakers, Chemglass | VWR | 89028 | |
REDISHIP Protector Premier Hood | VWR | 89260-056 | |
RISø TL/OSL DA-20 | Risø National Laboratory, Denmar | TL/OS-DA-2 | |
Rockwell F80 Sonicrafter electric saw | Rockwell | RK5121K | |
Spectroscopy analyzer: DXR Raman microscope | Thermoscientific DXR Raman microscope | IQLAADGABFFAHCMBDI | |
Squirt bottle | VWR | 10111 | |
Tetrasodium diphosphate decahydrate 99.0–103.0%, crystals, BAKER ANALYZED ACS, J.T. Baker (Na4P2O7 10H2O) > 95%, | VWR | JT3850-1 | |
Thomas Duplex Super SafeLight Sodium Photographic Darkroom Light USA | Freestyle | Model: 42122 |
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